循环湍动流化床颗粒的局部平均速度在线测量系统

王胜南, 李敏艳, 彭 词

(1. 扬州大学电气与能源动力工程学院, 江苏 扬州 225127;2. 中国科学院上海高等研究院低碳转化科学与工程中心, 上海 201210)

流化床反应器由于具有传热传质效率高、气固接触效果好等优点, 被广泛应用于化工、电力等工业领域[1-2]．在多种气固流化床反应器中, 较为典型的湍动流化床(turbulent fluidized bed, TFB)[3]具有反应强度大、气固接触效率高等优点, 但存在严重的气固返混; 而循环流化床(circulating fluidized bed, CFB)[4]可实现颗粒循环, 轴向返混较少,但其传热传质效率比TFB差．为克服TFB和CFB的缺点并充分发挥其优势, 循环湍动流化床(circulating turbulent fluidized bed, C-TFB)[5]应运而生, 相关研究也成为流化床研究中最活跃的领域之一．对于C-TFB的研究, 首要解决的问题是床内气固流动的测量[6]．然而, C-TFB反应时床内气固流动过程非常复杂, 难以准确在线测量床内颗粒流动参数．目前, 主要的非接触式测量方法有射线法[7]、光学法[8]和电学法[9]等．射线法测量分辨率高、测量范围广, 但成本较高,系统维护复杂且有辐射泄漏的安全隐患;光学法结构简单,价格低廉,但其测量管段部分需要透明材料, 且测量范围受颗粒浓度限制;电学法又分为静电法和电容法,其中,静电法是基于气固两相流颗粒静电现象发展起来的．在流动过程中气固两相流的颗粒、管壁与气体之间相互运动、碰撞与分离,导致颗粒产生荷电[10]．静电传感器通过捕捉和提取颗粒荷电上携带的颗粒流动信息,结合相应的信号处理技术可实现流动颗粒速度测量[11]．静电法属于被动检测方法,相比于光学法和射线法,具有成本低、无辐射、结构简单、测量鲁棒性高等优点,但该方法在测量精度上有待提高．为此,本文在静电检测技术研究的基础上,拟设计开发一套基于阵列式静电传感器的颗粒局部平均速度测量系统, 并在C-TFB冷模装置上进行测量试验研究．结果可为进一步提高循环湍动流化床静电检测技术的测量精度提供理论基础．

1 阵列式静电传感器

图1为阵列式静电传感器的结构示意图,该传感器主要由8个弧状检测电极、2个环形防护电极、绝缘管道和屏蔽罩组成．防护电极、屏蔽罩以及检测电极引线的屏蔽层接地连接,防止外部的电磁干扰．8个弧状电极上下游之间互相对应形成4组对, 分别记为S1-1、S2-2、S3-3、S4-4, 均匀布置在管道上形成电极阵列．图1中的L为上下游电极间距,W为电极轴向长度,α为电极覆盖角．

图1 阵列式静电传感器结构示意图Fig.1 Schematic diagram of electrostatic sensor arrays

在C-TFB反应过程中, 床内颗粒、管壁与气体之间的相互运动、碰撞与分离,使颗粒产生荷电．当携带荷电的颗粒流经传感器时, 传感器电极与移动荷电之间产生电荷感应现象, 这一过程可由静电场泊松方程及其边界条件描述为[12]:

2 静电互相关法速度测量原理

图2 静电检测电极等效电路Fig.2 Equivalent circuit of the electrostatic prob

3 速度测量试验

3.1 测量系统

图3 颗粒局部速度测量系统结构示意图Fig.3 Schematic diagram of the local particle mean velocity measurement system

基于阵列式静电传感器的颗粒局部平均速度测量系统结构如图3所示, 系统主要由阵列式静电传感器、静电信号调理单元、信号采集和处理模块以及上位机构成．图4为静电信号调理电路及其原理示意图．静电信号调理电路可将传感器感应到的电荷信号转换为电压信号,设计主要分为两级:第一级为电压跟随器,实现高内阻的电荷信号向低内阻的电压信号的转换;第二级为电压放大器,以放大电压信号．两级之间设计了RC滤波电路,用于滤除信号中的干扰噪音．本设计采用美国国家仪器公司生产的NI9205数据采集卡实现多路通道静电信号采集,并通过USB接口将采集到的信号传输到计算机进行处理和显示．

图4 多路静电信号调理电路(a)及其原理图(b)Fig.4 Multi-channel electrostatic signal conditioning circuits (a) and the schematic diagram (b)

3.2 传动带测量试验

为验证颗粒局部平均速度互相关算法的准确性,在如图5所示的传动带装置上进行速度测量试验．传动带装置主要由皮带轮、连接皮带以及调速电机等组成,连接皮带的材质为聚氨酯,调速电机的调速范围为400～1 200 r·min-1．在传动过程中,皮带经过传感器时的流动状态为典型的气固两相“绳流”流动,通过与皮带轮的摩擦, 皮带表面会产生一定数量的电荷,故由调速电机控制的皮带可用于模拟不同速度下带电气固两相的流动．本文试验采用的阵列式静电传感器的电极材料为紫铜, 电极轴向长度为10 mm,电极覆盖角为30°,静电极片阵列上下游间距L=40 mm．考虑到测量速度大致范围在4～20 m·s-1范围内, 静电信号采样频率f和采样时间分别设置为25 kHz和0.2 s[15]．

图5 传动带装置(a)及其结构图(b)Fig.5 Belt conveyor rig (a) and the structure diagram (b)

图6为电机不同转速下传感器上下游电极对S1-1输出的静电信号．由图6可知, 不同传送速度下,上下游静电信号均相似, 且下游信号均滞后于上游;随着皮带传送速度的增加,静电信号逐渐增强,上下游的延迟时间也减少．对图6中不同电机转速下阵列式静电传感器电极对S1-1输出上下游静电信号作互相关运算,得到如图7所示的互相关函数．由图7可知,在电机转速为400, 800, 1 200 r·min-1时最大互相关运算结果对应的延迟点数n分别为189、105、72．根据公式τ0=n/f可计算出不同电机转速时上下游静电信号间的滞后时间分别为7.56, 4.20, 2.88 ms, 即可得到颗粒局部平均速度v1分别为5.29, 9.52, 13.89 m·s-1．

图6 不同电机转速下阵列式静电传感器S1-1输出静电信号Fig.6 Output signals of S1-1 at different rotation speeds of pulley

图7 不同电机转速下电极对S1-1静电信号的互相关函数计算结果Fig.7 Cross-correlation function of output signals of S1-1 at different rotation speeds of pulley

图8 不同电机转速下的速度测量值Fig.8 Velocity measurement results at different rotation speeds of pulley

图9 C-TFB装置实物图(a)及局部结构图(b)Fig.9 Physical drawing (a) and local structure drawing (b) of C-TFB device

对不同传送速度下的皮带进行连续局部平均速度测量,结果如图8所示．由图8可见, 在相同传送速度下,检测电极S1-1,S2-2,S3-3,S4-4的速度接近; 传送速度增加,各局部速度随之增大．颗粒局部平均速度测量值与皮带转速具有较好的一致性．

3.3 C-TFB测量试验

图10是在床高H0=195 mm时阵列式静电传感器各电极对输出的静电信号．由图10可见,同一电极对的上下游电极输出静电信号均相似,且有明显的时间延迟,说明阵列式静电传感器及其信号调理电路设计合理且工作正常．对图10(a)中的S1-1输出上下游静电信号作互相关运算,得到互相关函数如图11所示．通过相关函数可以得到延迟点数n=579, 可计算出颗粒速度为1.38 m·s-1．

图10 阵列式静电传感器输出的静电信号Fig.10 Output signals of electrostatic sensor arrays

C-TFB流化过程中,不同床高下的颗粒局部速度连续测量结果如图12所示．由图12可知, 当H0为195 mm和135 mm时, 各颗粒局部速度测量值处于1.0～1.5 m·s-1范围内, 表明在该工况下,颗粒经过测量位置处的流动速度相对稳定, 颗粒速度分布较为均匀; 当H0下降到95 mm时, 颗粒流动稳定性明显下降, 颗粒流速波动剧烈, 局部速度约为0.8～4.2 m·s-1; 随着H0的进一步降低, 床内颗粒流速波动更为剧烈, 当H0=45 mm时, 颗粒速度波动范围扩大到0.0～5.4 m·s-1, 表明在该工况下, 床内颗粒出现不稳定流动,流动稳定性随着床高的下降而下降．

图11 电极对S1-1上静电信号的互相关函数Fig.11 Cross-correlation function of output signals of S1-1

图12 不同床高下的局部速度连续测量值Fig.12 Continuous measured local velocities for different bed heights

4 结论

本文研究了基于阵列式静电传感器的颗粒局部平均速度测量方法,在此基础上开发了一套颗粒局部平均速度测量系统,并在中国科学院上海高等研究院低碳转化科学与工程中心搭建的C-TFB冷模装置上进行床内颗粒局部平均速度在线测量试验．结果表明该测量系统能够实现C-TFB颗粒局部平均速度在线准确测量．